Vieillissement par paliers : HTGB

Le vieillissement de type HTGB est basé sur une forte polarisation appliquée sur la grille des composants ainsi qu’une haute température de fonctionnement. Ce type de vieillissement s’est divisé en deux parties : une partie faisant varier la tension de grille et l’autre faisant varier la température de fonctionnement. Dans cette partie, une présentation des résultats des deux types de vieillissements HTGB est faite.

HTGB-T

Ce type de vieillissement consistait à appliquer une tension de grille fixée à 5 V durant la totalité de la campagne en faisant varier la température de vieillissement de 50 °C à 180 °C, par pas de 20 °C par palier jusqu’à atteindre 150 °C puis par pas de 10 °C par palier au-delà. Les conditions de ce vieillissement par paliers sont résumées sur la Fig. 75.

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Fig. 75. Conditions des vieillissements par paliers HTGB-T

Pour ce vieillissement par paliers, comme pour le vieillissement par paliers HTGB-V, deux différents composants ont été utilisés. Durant ce vieillissement, le suivi en temps réel du courant de fuite de la grille n’a révélé aucune signature de défaillance car aucune défaillance franche de composant n’est survenue.

Fig. 76. Suivi en temps réel du courant de fuite de deux différents durant le neuvième palier du vieillissement HTGB-T

Un grand intérêt est porté à la caractérisation électrique effectuée à chaque fin de palier car elle présente le seul moyen de suivi de l’état de chaque composant. La Fig. 77 présente l’évolution de la tension de seuil et du courant de fuite de drain à chaque sortie de vieillissement.

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Fig. 77. Évolutions de la tension de seuil (a) et du courant de fuite de grille (b)pendant le vieillissement par paliers de type HTGB-T

La Fig. 77 (a) présente l’évolution de la tension de seuil ; cette caractéristique est mesurée à température ambiante à la sortie de chaque palier de vieillissement au point de polarisation ID = 1,5 mA et VDS = 1,4 V. Une grande augmentation de cette caractéristique électrique est observée (de 1,22 V à 1,82 V pour le composant 2, ce qui représente une évolution de 50 %). En analysant cette figure, il apparaît que l’augmentation de la tension de seuil est visible entre la valeur initiale et le premier palier, ensuite cette tension de seuil reste assez constante jusqu’au septième palier de vieillissement, où une forte augmentation est observée encore une fois. Ce septième palier correspond à une température de vieillissement de 160 °C.

La Fig. 77 (b) présente, de son côté, l’évolution du courant de fuite de grille ; ce courant de fuite est mesuré à température ambiante à la sortie de chaque palier de vieillissement au point de polarisation VGS = 6 V et VDS = 0 V. Cette caractéristique ne subit aucune évolution durant la totalité de ce vieillissement par paliers.

Les autres caractéristiques électriques ont été aussi suivies avec intérêt mais n’ont subi aucune évolution notable avant la défaillance totale d’un composant donné. En effet, la Fig. 78 montre l’évolution du courant de fuite de drain et de la résistance à l’état passant durant ce vieillissement par paliers. Aucune évolution n’est visible sur ces caractéristiques.

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Fig. 78. Évolutions du courant de fuite de drain (a) et de la résistance à l’état passant (b)pendant le vieillissement par paliesr de type HTGB-T

HTGB-V

Ce type de vieillissement consistait à appliquer une température de vieillissement fixée à 150 °C durant la totalité de la compagne en faisant varier la tension de grille de 1 V à 7,5 V, par pas de 1 V par palier jusqu’à atteindre 4 V puis par pas de 0,5 V par palier au-delà. Les conditions de ce vieillissement par paliers sont résumées sur la Fig. 79.

Fig. 79. Conditions des vieillissements par paliers HTGB-V

Pour ce vieillissement par paliers, contrairement aux vieillissements par paliers de type HTRB présentés précédemment, deux différents composants ont été utilisés. Durant ce vieillissement, le suivi en temps réel du courant de fuite de la grille n’a révélé que les défaillances franches des composants. Comme le montre la Fig. 80, cette défaillance franche est caractérisée par une augmentation brutale du courant de fuite de la grille.

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Fig. 80. Suivi en temps réel du courant de fuite de grille de deux différents composants durant le dixième palier du vieillissement HTGB-V

On peut observer sur la Fig. 80, le suivi en temps réel du courant de fuite des deux composants soumis au vieillissement par paliers de type HTGB-V durant le dixième palier. Les données étaient collectées toutes les cinq minutes. Il apparaît clairement que le courant de fuite de grille du composant 1 reste stable pendant toute la durée du palier. Cependant, une signature de défaillance apparaît clairement sur les relevés du composant 2 (augmentation du courant de fuite de plus d’une décade). Il est aussi observé que le relevé du courant de fuite de grille du composant 2 devient bruité après la défaillance. Ceci peut s’expliquer par la création de défauts supplémentaires. Cette particularité peut suggérer que le mécanisme responsable de la défaillance est en relation avec le fort champ électrique présent sur la couche p-GaN sous la grille. Ce fort champ électrique favoriserait donc la propagation des défauts [59].

D’autres caractéristiques électriques peuvent évoluer avant la défaillance totale du composant. Afin de suivre les éventuelles évolutions d’autres caractéristiques électriques, un grand intérêt est porté à la caractérisation électrique effectuée à chaque fin de palier. La Fig. 81 présente l’évolution de la tension de seuil et du courant de fuite de drain à chaque sortie de vieillissement. Les autres caractéristiques électriques ont été aussi suivies avec intérêt. Cependant, comme lors du vieillissement par paliers précédent, ces caractéristiques n’ont subi aucune évolution notable avant la défaillance totale d’un composant donné.

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Fig. 81. Évolutions de la tension de seuil (a) et du courant de fuite de grille (b)

pendant le vieillissement par paliers de type HTGB-V

La Fig. 81 (a) présente l’évolution de la tension de seuil ; cette caractéristique est mesurée à température ambiante à la sortie de chaque palier de vieillissement au point de polarisation ID = 1,5 mA et VDS = 1,4 V. Il apparaît que cette tension peut fluctuer mais reste assez stable (10 % d’évolution entre la valeur initiale et la valeur finale).

La Fig. 81 (b) présente, de son côté, l’évolution du courant de fuite de grille ; ce courant de fuite est mesuré à température ambiante à la sortie de chaque palier de vieillissement au point de polarisation VGS = 6 V et VDS = 0 V. On peut constater que le courant de fuite de grille reste stable jusqu’au dixième palier de vieillissement. Après ce palier, il augmente brutalement quand la tension de grille atteint une valeur critique (7 V pour le composant 2 et 7,5 V pour le composant 1). Sur la documentation technique, le fabricant fait référence à une tension de grille maximale de 6 V qui est très proche de la valeur critique démontrée lors de l’étude. Cela implique que la commande de grille doit donc être appliquée de façon très prudente, d’où l’intérêt du développement de circuits de contrôle de la grille intégrés à la puce pour atténuer l’effet des éléments parasites que pourrait générer le circuit imprimé [103].

Le vieillissement HTGB-V a donc un grand impact sur le courant de fuite de grille. Ce dernier augmente brutalement quand la tension de grille atteint une valeur critique. Cependant, ce type de vieillissement n’a qu’un effet minime sur la tension de seuil.

2.2.1.1. Conclusion sur le vieillissement par paliers HTGB

Dans notre étude, quatre différents composants ont été soumis à des vieillissements par paliers de type HTGB. La moitié de ces composants a été soumise à un vieillissement HTGB-V, qui consistait à maintenir une température de vieillissement constante en augmentant la tension de polarisation de la grille à chaque palier. L’autre moitié a subi un vieillissement HTGB-T ; ce vieillissement par paliers, contrairement au HTRB-V, consistait à maintenir une polarisation de

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grille constante durant la totalité du vieillissement en augmentant la température de vieillissement à chaque palier. L’objectif d’effectuer ces deux types de vieillissement HTGB était de distinguer l’effet de chaque facteur de stress (tension et température) sur les composants étudiés.

Les résultats obtenus mettent en évidence l’existence d’une tension de grille critique au-delà de laquelle une forte augmentation du courant de fuite de grille peut apparaître, signant ainsi la défaillance du composant. Cette tension critique a été évaluée à 7 V à 150 °C durant notre étude. Il est à noter que cette tension critique est très proche de la valeur maximale d’utilisation annoncée par le fabricant qui est de 6 V. Elle est aussi très proche de la tension de grille d’utilisation optimale de ces composants qui est de 5 V. Ceci implique qu’une grande prudence doit être de mise lors de la commande de grille.

La méthode de vieillissement utilisée, consistant à effectuer des sorties de vieillissement à la fin de chaque palier afin de permettre une caractérisation complète des composants, nous a permis d’identifier une autre dérive d’une des caractéristiques électriques des composants. En effet, il apparaît clairement, surtout sur le vieillissement HTGB-T, que la tension de seuil a tendance à augmenter durant le vieillissement. Cette augmentation devient encore plus claire lorsque la température dépasse 150 °C. Une augmentation de 50 % a même été observée durant le vieillissement HTGB-T. Cette augmentation importante peut clairement être considérée comme une signature de défaillance du composant. Cette signature n’aurait pas été visible si des caractérisations complètes n’avaient pas été effectuées à la fin de chaque palier. En effet, le suivi du courant de fuite de grille, qui constitue la seule caractéristique électrique disponible en temps réel au cours du vieillissement, n’a révélé aucune évolution.

Dans les vieillissements HTGB conventionnels pour ce type de composants, le seul mode de défaillance observé est l’augmentation brutale du courant de fuite de grille. Notre méthode nous a permis donc de démontrer que le vieillissement HTGB peut créer des dégradations dans le composant qui mènent à une évolution des caractéristiques statiques, autres que le courant de fuite de grille. Le vieillissement HTGB peut donc créer des défauts de surface sur la grille, surtout à haute température, menant ainsi à une augmentation non négligeable de la tension de seuil.

Campagne de vieillissements calendaires